CN112684387A - 一种磁流体填充的lpg—fbg双光纤光栅传感探头 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤光栅传感技术领域，公开了一种磁流体填充的LPG—FBG双光纤光栅传感探头。结构包括宽带光源、光纤环形器、传感探头、第一光谱分析模块和第二光谱分析模块，所述的传感探头包括多模光纤、LPG—FBG双光纤光栅、等腰三角锥槽、UV胶和金属铝套管。本发明传感探头采用飞秒激光技术，在FBG包层去除等周期的等腰三角锥槽，等腰三角锥槽的等周期性排布构成LPG，LPG与FBG叠加在同一根光纤的同一区域，构成LPG—FBG双光纤光栅，LPG实现对磁场强度的测量，FBG实现对温度的测量，并对LPG磁场强度测量进行温度补偿，实现该传感探头的双参量测量，拓展了传感器的功能。

Description

一种磁流体填充的LPG—FBG双光纤光栅传感探头

本发明属于光纤光栅传感技术领域，具体涉及一种磁流体填充的LPG—FBG双光纤光栅传感探头。

背景技术

随着近几年军事制导、航空航天、地质勘测、工业检测和电力系统等领域的快速发展，磁场传感器得到了广泛的发展和应用。磁场或与磁场相关的信息存在于自然界和人类社会生活的各个方面，磁场传感器是一种将磁场或与磁场相关的信息的变化量转变成电信号输出的装置，因此被广泛用于探测、采集、存储、转换、监控各种磁场和磁场中承载的各种信息的任务中。在最初的测磁技术中，由于外来磁场和各种环境的影响，测磁技术一直未得到广泛的应用和发展，但随着近几年光纤传感技术的不断发展，其相关器件的价格越来越低廉，种类越来越繁多，光纤通信技术也越来越成熟，出现了一种新的磁场强度测量技术，即磁场传感技术与光纤传感技术相结合的一种新型传感器——光纤磁场传感器，由于它继承了两者的优点，具有体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、便于分布式多点探测、全光传输等突出优点，已成为磁场传感领域的研究热点。基于光纤的磁场传感器有很多种，如基于光纤光栅结构的磁场传感器、基于F-P干涉结构的磁场传感器、基于倏逝波机理的磁场传感器和基于表面等离子体共振的磁场传感器等等，依据不同的传感性能可应用于不同情况下的磁场强度测量。

光纤光栅是一种非常重要的光纤无源器件，具有体积小和插入损耗小等优点，广泛应用在光纤传感领域，光纤光栅还具有抗电磁干扰能力强和抗腐蚀能力强，可以在复杂的环境中工作的优点。光纤光栅按照周期大小分类，可以分为光纤布拉格光栅(FBG:FiberBragg Grating)和长周期光纤光栅(LPFG:Long Period Fiber Grating)。制备光纤光栅的方法主要有七种，分别是内部写入法、全息干涉法、分波前干涉法、相位掩膜法、在线成栅、直接写入法和聚焦离子束写入，其中前两个成栅法的成栅条件苛刻,成品率低,使用受到限制，所以目前采用的成栅方法主要是后面的四种方法，尤其是相位掩膜方法的应用,不但提高了成栅的效率和质量,同时也很容易实现由计算来设计各种功能性器件,并伴随出现了各种各样的近于实用化的性能各异的功能性器件，使其向更广、更深入、更成熟的方向发展。随后光纤光栅技术的进一步发展，相位掩膜制作技术得到了进一步的发展，以及在光纤拉制过程中在线光纤光栅的制作方法的发现,从而使得这种光纤器件具有了可重复性和规模制作的现实性。

目前基于光纤的磁场传感器按照不同的传感机理主要有：基于磁致伸缩材料的光纤磁场传感器，主要利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应进行磁场传感；基于磁流体的光纤微结构磁场传感器，主要利用磁流体的磁致折射率可调特性实现磁场传感。磁流体又称磁性液体、铁磁流体或者磁液，是磁性纳米颗粒Fe₃O₄在表面活性剂的包裹作用下，均匀分散在基载液中形成的一种胶体溶液，具有丰富的光学性质，如热透镜效应、磁致双折射效应和可调折射率特性等，而磁流体在光纤磁场传感器中的应用，主要是基于其折射率可调特性，即在磁场作用下磁流体的折射率会发生变化，常被用来制作光纤磁场传感器，磁流体结合光纤的方法一般是通过对光纤减薄包层，如利用微加工工艺中的飞秒激光去除包层的方法，飞秒激光器是一种新型的激光器，不仅具有峰值功率大、可调性和稳定性高等优点，而且脉冲持续间隔为飞秒量级，因此在超精细微加工与光纤传感等领域有重大的应用。当存在磁场时，磁场强度会使磁流体的折射率发生变化，从而包层折射率发生变化，进而影响输出光的波长，通过解调输出光谱的变化，实现磁场强度的探测。

本发明提出了一种磁流体填充的LPG—FBG双光纤光栅传感探头的设计方案，其通过飞秒激光加工技术，在光纤布拉格光栅的包层中去除等周期的等腰三角锥槽，并用注射器加压法注入磁流体，等周期的等腰三角锥槽构成LPG结构，最后使用金属套管和UV胶进行封装，制成双光纤光栅传感探头，实现对外界磁场强度和温度的双参量测量。

发明内容

本发明设计了一种磁流体填充的LPG—FBG双光纤光栅传感探头，可以实现磁场强度和温度双参量的测量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种磁流体填充的LPG—FBG双光纤光栅传感探头，它的结构包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、传感探头(3)、第一光谱分析模块(4)和第二光谱分析模块(5)，其特征在于：所述的传感探头(3)总长度为15～18mm，包括多模光纤(3-1)、LPG—FBG双光纤光栅(3-2)、等腰三角锥槽(3-3)、UV胶(3-4)和金属铝套管(3-5)，所述的多模光纤(3-1)的纤芯直径为50μm，双光纤光栅(3-2)的纤芯直径为9μm，两者的包层直径为 125μm，等腰三角锥槽(3-3)长度为50μm，宽度为50μm，深度为55μm，光纤包层端面与等腰三角锥槽(3-3)斜边的夹角为66°，相邻等腰三角锥槽(3-3)的间距为200μm，等腰三角锥槽(3-3)的等周期性排布构成LPG，LPG与FBG叠加在同一根光纤的同一区域，构成LPG—FBG双光纤光栅(3-2)，传感探头(3)根据磁流体的可调折射率特性，变化的外界磁场强度，改变等腰三角锥槽(3-3)中磁流体的折射率，引起光纤包层有效折射率发生变化，从而使LPG的谐振波长发生改变，实现LPG对磁场强度的测量；金属铝套管起到了增敏作用，当温度变化时，FBG的周期会发生改变，反射光的谐振波长发生改变，实现FBG 的温度测量，此外，外界温度也会对磁流体的折射率产生微小的影响，FBG的温度测量对LPG 磁场强度的测量进行温度补偿，所述的等腰三角锥槽(3-3)的制备包括以下步骤：

(1)在电子显微镜观察下，将FBG光纤固定在光纤夹具上，确保其在高精度可移动平台上保持水平放置，然后调整飞秒激光器的脉冲能量和激光频率，并保持飞秒激光器不动；

(2)通过电脑控制高精度移动平台移动，让平台带动光纤，相对于飞秒激光器做周期为200 μm的周期性运动，在起始点和每隔一个周期的点，速度控制由快变慢再变快，在FBG单模光纤包层中刻出等周期的等腰三角锥槽(3-3)；

(3)在等腰三角锥槽(3-3)中充入磁流体，所述的UV胶(3-4)和金属铝套管(3-5)用来对传感探头(3)进行封装，金属铝套管(3-5)的内径为180μm，外径为500μm。

所述的传感探头采用的是多模光纤无偏芯熔接一个双光纤光栅结构，多模光纤与单模光纤形成模式失配，使光有效的进入FBG包层，实现LPG对外界磁场强度的测量，拓展了传感器的功能。

所述的传感探头中的等腰三角锥槽中填充的磁流体是一种水基磁流体，以Fe3O4纳米颗粒为磁性颗粒，采用亚油酸作为表面活性剂。

采用上述的技术方案，本发明取得的技术进步是：通过飞秒激光加工技术，在光纤布拉格光栅的包层中去除等周期的等腰三角锥槽，并利用注射器加压法在等腰三角锥槽中充入磁流体，等腰三角锥槽的等周期性排布构成LPG，LPG与FBG叠加在同一根光纤的同一区域，构成LPG—FBG双光纤光栅，利用磁流体的可变折射率特性，外界磁场强度会改变LPG的有效折射率，金属铝套管增大了传感结构的温敏系数，外界温度会改变FBG的周期，分别观察第一光谱分析模块和第二光谱分析模块，实现传感探头的双参量测量，拓展了传感器的功能。

附图说明

图1为本发明所述的一种磁流体填充的LPG—FBG双光纤光栅传感探头的工作流程示意图；

图2为本发明所述的一种磁流体填充的LPG—FBG双光纤光栅传感探头的具体结构示意图；

图3为本发明所述的一种磁流体填充的LPG—FBG双光纤光栅传感探头的横向截面图。

具体实施方式

下面将结合图2，对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明是一种磁流体填充的LPG—FBG双光纤光栅传感探头，实现对外界磁场强度和温度的双参量测量，拓展了传感器的功能，具体实施步骤如下：

步骤一：光纤端面预处理

分别将多模光纤光栅和光纤布拉格光栅一端用剥线钳刮去涂敷层，接着用光纤切割机将去涂敷层的多模光纤光栅和处理好的光纤布拉格光栅端面切平，然后利用超声波清洗机对光纤进行清洁。

步骤二：多模光纤与光纤布拉格光栅的熔接

将处理好的多模光纤和光纤布拉格光栅放入光纤熔接器中，按同轴结构进行手动无偏芯熔接。

步骤三：飞秒激光在FBG的包层上刻槽

首先在电子显微镜下观察其端面的平整度，并将处理好的光纤固定在光纤夹具上，确保在高精度可移动平台上保持水平放置；然后调整飞秒激光器的脉冲能量和激光频率设置，聚集成直径大约为1μm的光斑，并保持飞秒激光器不动；接着通过电脑控制高精度移动平台移动，让平台带动光纤，相对于飞秒激光器做周期为200μm的周期性停顿运动，在每个停顿点速度由快变慢再变快，在FBG单模光纤包层中去除等周期的等腰三角锥槽，最后做成图2 所示的结构等腰三角槽的制作尺度为：长度50μm，宽度50μm，深度55μm，光纤包层端面与等腰三角锥槽斜边的夹角是66°。

步骤四：磁流体的填充与封装

首先用注射器将磁流体充入等腰三角锥槽内；然后将金属铝套管水平固定在另一个三维调整平台的夹具上，并粗略调整金属铝套管和传感探头的位置；接着将显微镜移至金属铝套管端面处，要能够同时观察到金属铝套管和熔接好的双光纤光栅结构的端面，保持两者在水平等多个维度一致，调整对准，缓慢的将熔接好的双光纤光栅结构插入金属铝套管内，再用 UV胶封装并固定两端面，其选用的的金属铝套管(3-4)内径为180μm，外径为500μm，长度为15～18mm。

步骤五：对所制作的传感探头进行清洗晾干

上述制作工艺步骤顺利完成后，敏感探头制备完毕。

本发明的基本原理为：根据磁流体的可调折射率特性，当外界磁场强度发生变化时，等腰三角锥槽中磁流体的折射率会改变，进而引起光纤包层有效折射率发生变化，从而使LPG 的谐振波长发生改变，最后透射光经过第一光谱分析模块，实现LPG对磁场强度的测量；金属铝套管起到了增敏作用，提高了传感结构的温敏系数，当温度变化时，FBG的周期会发生改变，反射光经过第二光谱分析模块，实现FBG的温度测量，此外，外界温度也会对磁流体的折射率产生微小的影响，FBG的温度测量对LPG磁场强度的测量进行温度补偿，因此，该传感探头既可以实现更高精度的磁场强度测量，又可以实现对温度和磁场强度的双参量测量，拓展了传感器的功能。

Claims (3)

1.一种磁流体填充的LPG—FBG双光纤光栅传感探头，结构包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、传感探头(3)、第一光谱分析模块(4)和第二光谱分析模块(5)，其特征在于：所述的传感探头(3)总长度为15～18mm，包括多模光纤(3-1)、LPG—FBG双光纤光栅(3-2)、等腰三角锥槽(3-3)、UV胶(3-4)和金属铝套管(3-5)，所述的多模光纤(3-1)的纤芯直径为50μm，双光纤光栅(3-2)的纤芯直径为9μm，两者的包层直径为125μm，等腰三角锥槽(3-3)长度为50μm，宽度为50μm，深度为55μm，光纤包层端面与等腰三角锥槽(3-3)斜边的夹角为66°，相邻等腰三角锥槽(3-3)的间距为200μm，等腰三角锥槽(3-3)的等周期性排布构成LPG，LPG与FBG叠加在同一根光纤的同一区域，构成LPG—FBG双光纤光栅(3-2)，传感探头(3)根据磁流体的可调折射率特性，变化的外界磁场强度，改变等腰三角锥槽(3-3)中磁流体的折射率，引起光纤包层有效折射率发生变化，从而使LPG透射光的谐振波长发生改变，实现LPG对磁场强度的测量；金属铝套管起到了增敏作用，当温度变化时，FBG的周期会发生改变，反射光的谐振波长发生改变，实现FBG的温度测量，此外，外界温度也会对磁流体的折射率产生微小的影响，FBG的温度测量对LPG磁场强度的测量进行温度补偿，所述的等腰三角锥槽(3-3)的制备包括以下步骤：

(1)在电子显微镜观察下，将FBG光纤固定在光纤夹具上，确保其在高精度可移动平台上保持水平放置，然后调整飞秒激光器的脉冲能量和激光频率，并保持飞秒激光器不动；

(2)通过电脑控制高精度移动平台移动，让平台带动光纤，相对于飞秒激光器做周期为200μm的周期性运动，在起始点和每隔一个周期的点，速度控制由快变慢再变快，在FBG单模光纤包层中刻出等周期的等腰三角锥槽(3-3)；

(3)在等腰三角锥槽(3-3)中充入磁流体，所述的UV胶(3-4)和金属铝套管(3-5)用来对传感探头(3)进行封装，金属铝套管(3-5)的内径为180μm，外径为500μm。

2.根据权利要求1所述的一种磁流体填充的LPG—FBG双光纤光栅传感探头，其特征在于：所述的多模光纤(3-1)与单模光纤形成模式失配，使光有效的进入FBG包层。

3.根据权利要求1所述的一种磁流体填充的LPG—FBG双光纤光栅传感探头，其特征在于：所述的等腰三角锥槽(3-4)中填充的磁流体是一种水基磁流体，以Fe₃O₄纳米颗粒为磁性颗粒，采用亚油酸作为表面活性剂。

Images